БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2015, № 1, с. 98-102
ВОДНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
УДК 574.632
ИЗМЕНЕНИЕ АНАТОМИЧЕСКИХ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ СТОЧНЫХ ВОД ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО КОМБИНАТА © 2015 г. М. Н. Кислицина, Г. Г. Борисова
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620083 г. Екатеринбург, пр. Ленина, 51, e-mail: mariyakislitsina@yandex.ru Поступила в редакцию 13.05.2013 г.
Оценено влияние сточных вод целлюлозно-бумажного комбината на анатомические и биохимические показатели погруженных и прибрежно-водных растений. Выявлены про- и антиоксидантные реакции растений и неоднозначное изменение их анатомических характеристик в связи с промышленным загрязнением. В наибольшей степени негативное действие сточных вод испытывали погруженные растения.
Ключевые слова: водные растения, перекисное окисление липидов, пероксидаза, полифенолоксида-за, флавоноиды, мезоструктура листа, целлюлозно-бумажный комбинат, фенольные соединения, лигнин.
Б01: 10.7868/8032096521501009Х
ВВЕДЕНИЕ
Промышленные стоки имеют довольно сложный состав, зависящий от специфики производства. Среди органических отходов целлюлозно-бумажного производства значительное место занимает лигнин. При сульфатном способе получения целлюлозы используется ~40% обрабатываемой древесины, остальные 60% переходят в черный щелок, в котором доля лигнина составляет 50% [5]. Лигнин представляет собой ароматическое соединение природного происхождения, в котором имеются фенольные группы и другие токсические вещества [11]. Лигнин сточных вод разрушается через ~200 сут, выделяя при этом промежуточные продукты распада [12]. При деструкции лигнина освобождается ~55 различных химических компонентов, преимущественно фе-нольных соединений (фенол, гваякол, пирокатехин, о-, м-, я-крезол, пирогаллол) [11].
Загрязнение гидроэкосистем токсическими веществами, попадающими в водные объекты в результате хозяйственной деятельности человека, способно привести к необратимым изменениям в биоценозах, к резкому увеличению генетического груза в популяциях, к изменению численности и структуры видов или даже к их вымиранию [6]. В связи с этим актуальны вопросы прогнозирования биологических последствий влияния промышленных стоков на водные растения — важ-
нейший средообразующий компонент водных экосистем, от которого зависит функционирование гидроценоза в целом.
Цель работы — изучение влияния промышленных стоков целлюлозно-бумажного предприятия на некоторые анатомические и биохимические показатели водных растений, отражающие их способность противостоять действию техноген-но-нарушенной среды.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования были погруженные (Elodea canadensis Michx., Potamogeton gramineus L.) и прибрежно-водные растения (Alisma plantago-aquatica L., Sagittaria natans Pall.), собранные в горно-таежной р. Ляля в окрестностях Новоля-линского целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК, Свердловская обл.).
Река Ляля, правый приток р. Сосьва, берет начало на восточном склоне горы Лялинский камень. Скорость течения <0.4 м/с. Урез устья 60.6 м. Общая длина водотока 258 км, глубина 1— 3 м, множество стариц и перекатов [10], водосборная площадь 7430 км2 [7].
Вода в р. Ляля после производственных стоков ЦБК по химическому составу варьируется от "очень загрязненной" до "грязной". Основной источник загрязнения — фенольные соединения,
ИЗМЕНЕНИЕ АНАТОМИЧЕСКИХ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 99
Таблица 1. Физиолого-биохимические показатели водных растений из фонового и импактного участков р. Ляля
Параметр Elodea canadensis Potamogeton gramineus Sagittaria natans Alisma plantago-aquatica
Содержание продуктов ПОЛ, ммоль/г 0 .41 ± 0. 1 1 0 .44 ± 0. 3 9 0 . 06 ± 0.0 1* 0 .74 ± 0. 02 0 . 09 ± 0.04 * 0 .2 8 ± 0. 06 0 . 01 ± 0.0 0 * 0 .8 0 ± 0. 03
Активность, мкмоль/(г • мин):
пероксидазы 0 . 70 ± 0.0 3* 0.8 2 ± 0 . 04 3 . 04 ± 0.1 8 * 1 .9 2 ± 0. 10 2 . 95 ± 0.1 1 * 1 .6 1 ± 0. 00 0 . 54 ± 0.1 0* 3.2 6 ± 0. 25
полифенолоксидазы 69.24 ± 9 . 89 * 64.80 ± 1 3.2 3 403. 17 ± 26.02 * 216 .33 ± 19. 67 1 73. 33 ± 6 .93* 1 48. 75 ± 12. 27 986. 10 ± 0 .0 0 * 112 .45 ± 8.65
Содержание флавоноидов, мг/г 65.27 ± 5 . 49 79.29 ± 2 . 29 48.80 ± 1 . 37 46.8 7 ± 4 . 77 60.5 9 ± 1. 20 * 74. 84 ± 2 .2 6 74.74 ± 1. 19 * 63. 16 ± 3 .9 0
Примечание. Здесь и в табл. 2: над чертой — фоновый участок, под чертой — импактный. * Различия между значениями показателя на фоновом и импактном участках достоверны.
поступающие со стоками ЦБК. Среднегодовая концентрация фенолов в р. Ляля ниже г. Новая Ляля по данным за 2011 г. составила 16.3 ПДК для водных объектов рыбохозяйственного назначения [1].
Растения отбирали из речных вод фонового (выше впадения сточных вод ЦБК) и импактного (ниже их впадения) участков. В листьях растений определяли интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ), активность гваякол-специфичной пероксидазы (ПО), активность полифе-нолоксидазы (ПФО), содержание флавоноидов, а также некоторые анатомические характеристики изучаемых объектов. Для биохимического анализа использовали растительный материал массой 0.5 г с последующей гомогенизацией в фарфоровой ступке. Флавоноиды экстрагировали из цельных листьев растений в 96%-ном растворе этанола.
Интенсивность ПОЛ определяли спектрофото-метрически после проведения реакции, основанной на способности тиобарбитуровой кислоты образовывать окрашенные комплексы с продуктами перекисного окисления липидов. Содержание продуктов ПОЛ рассчитывали в ммоль/г [16].
Активность ПО оценивали по увеличению оптической плотности реакционной среды при длине волны 470 нм в результате окисления гваякола [13], активность ПФО — титриметрическим методом с использованием аскорбиновой кислоты [8] и выражали в мкмоль/(г • мин).
Содержание флавоноидов определяли в спиртовой (96%-ный этанол) вытяжке на спектрофотометре при длине волны 420 нм после проведения реакции, основанной на способности флаво-ноидов реагировать с лимоннокислым борным реактивом с образованием окрашенного комплекса [9]. Для пересчета показателей на сухую массу листья растений (навеска 0.2 г) фиксирова-
ли в сушильном шкафу 10 мин при температуре 105°С. Затем высушивали в течение 5 ч при температуре 70°С и переносили из сушильного шкафа в эксикатор для последующего взвешивания.
Анатомические показатели листьев (мезо-структуру) гидрофитов исследовали на материале, который фиксировали в 3.5%-ном растворе глутарового альдегида, приготовленном на фосфатном буфере (pH 7.2) [4].
Определение физиолого-биохимических показателей проводили в трех биологических и трех аналитических повторностях. Размеры клеток и хлоропластов (площадь поверхности, объем), а также толщину листа на поперечных срезах определяли с использованием программного обеспечения Siams MesoPlant. Толщину листа определяли в 10-кратной повторности, размеры клеток и хлоропластов — в 30-кратной.
Первичный анализ данных и их статистическую обработку проводили с использованием программ Excel 7.0 и Statistica 8.0. Полученные результаты представлены средними арифметическими значениями и их стандартным ошибками. Достоверность различий между средними оценивали по непараметрическому критерию Манна— Уитни при уровне значимостиp < 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Полученные биохимические показатели растений представлены в табл. 1. Интенсивность ПОЛ в листьях всех растений, взятых из импакт-ного участка реки, варьировала, но была существенно выше по сравнению с фоновым. Исключение составила Elodea canadensis, в листьях которой достоверных различий по показателю ПОЛ не обнаружено.
Таблица 2. Показатели мезоструктуры водных растений из фонового и импактного участков р. Ляля
Параметр Elodea canadensis Potamogeton gramineus Sagittaria natans Alisma plantago-aquatica
Толщина листа, мкм 57.5 ± 1.7 5 8.8 ± 5.1 3 1 .8 ± 1.7 33.2 ± 1.1 204. 1 ± 1 4.9 * 243 ± 13. 9 1 86. 5 ± 1 8 .3 * 217 .1 ± 1 9.1
Площадь поверхности клеток, тыс. мкм2:
эпидермальных 9 . 7 ± 0 .6 8 . 6 ± 0 .5 3 . 3 ± 0 .4 * 2 .2 ± 0.4 4 . 7 ± 0 .3 * 5.6 ± 0.5 20.1 ± 1.2 2 1.1 ± 1.5
мезофилла - - 6 .3 ± 0 .7 6 .5 ± 0 .7 1 0 .7 ± 0.9 11.2 ± 1.0
Объем клеток, тыс. мкм3:
эпидермальных 7 7.8 ± 8.0 66. ± 6.1 1 8 .1 ± 3.9 * 10. 1 ± 2 . 7 2 0.1 ± 1.8 * 26. 4 ± 3. 0 1 41. 0 ± 1 3 .9 * 2 16 . 3 ± 2 1.9
мезофилла - - 5 3.1 ± 10. 6 5 1.4 ± 9. 0 8 9.0 ± 10 . 0 92.1 ± 10 . 4
Объем хлоропластов, мкм3 12.0 ± 1.0 1 0 .8 ± 0.9 3 0 .3 ± 2.9 * 18. 2 ± 1 . 5 24.8 ± 2. 9 22.9 ± 1. 9 9 .6 ± 3.1 24.5 ± 4. 7
Количество хлоропластов на клетку, шт. 6 2.8 ± 3.7 * 50. 6 ± 3 . 8 9 . 0 ± 0 .4 8 . 3 ± 0 .5 1 6 .3 ± 1.0 * 22. 4 ± 1. 2 2 8.1 ± 2.8 2 9.7 ± 3.2
Примечание. "—" — мезофилл отсутствует, так как листовая пластинка состоит из двух слоев клеток.
Активность ПО в листьях Sagittaria natans и Potamogeton gramineus из импактной зоны была ниже по сравнению с фоновой на 45 и 37% соответственно. В листьях Alismaplantago-aquatica она превышала фоновые значения на 83%. У Elodea canadensis существенного изменения активности ПО не зарегистрировано.
Активность ПФО была ниже во всех растениях из импактного участка реки. Особенно низкая активность фермента обнаружена у Alisma plantago-aquatica — на 97% ниже по сравнению с фоновым участком.
Содержание флавоноидов в листьях растений из загрязненного участка реки было выше, чем из незагрязненного на 18—47%.
Значения показателей мезоструктуры растений приведены в табл. 2. У Elodea сanadensis на импактном участке реки размеры клеток и количество хлоропластов были меньше, чем на фоновом. У Potamogeton gramineus из импактной зоны наблюдалось уменьшение размеров клеток мезофилла и хлоропластов по сравнению с фоновой зоной.
У Alisma plantago-aquatica из импактного участка объем клеток губчатого мезофилла был меньше, но хлоропласты в этой ткани были крупнее.
У Sagittaria natans, выросших на импактном участке реки, размеры эпидермальных клеток, количество хлоропластов и толщина листа были больше, чем в фоновом участке.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ПОЛ — физиологический процесс, который обусловлен постоя
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.